1 引 言　　主動(dòng)磁懸浮軸承（AMB，以下簡(jiǎn)稱磁軸承）是集眾多門學(xué)科于一體的，最能體現(xiàn)機(jī)電一體化的產(chǎn)品。磁懸浮軸承與傳統(tǒng)的軸承相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)接觸、無(wú)摩擦、高速度、高精度。傳統(tǒng)軸承使用時(shí)間長(zhǎng)后，磨損嚴(yán)重，必須更換，對(duì)油潤(rùn)滑的軸承使用壽命會(huì)延長(zhǎng)、但時(shí)間久了不可避免會(huì)出現(xiàn)漏油情況，對(duì)環(huán)境造成影響，這一點(diǎn)對(duì)磁懸浮軸承就可以避免，它可以說(shuō)是一種環(huán)保型的產(chǎn)品。而且磁軸承不僅具有研究意義，還具有很廣闊的應(yīng)用空間：航空航天、交通、醫(yī)療、機(jī)械加工等領(lǐng)域。國(guó)外已有不少應(yīng)用實(shí)例?！　〈艖腋≥S承系統(tǒng)是由以下五部分組成：控制器、轉(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器和功率放大器。其中最為關(guān)鍵的部件就是控制器。控制器的性能基本上決定了整個(gè)磁懸浮軸承系統(tǒng)的性能。控制器的控制規(guī)律決定了磁軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及剛度、阻尼和穩(wěn)定性?？刂破饔址譃閮煞N：模擬控制器和數(shù)字控制器。雖然國(guó)內(nèi)目前廣泛采用的模擬控制器雖然在一定程度上滿足了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但模擬控制器與數(shù)字控制器相比有以下不足：（一）調(diào)節(jié)不方便、（二）難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制、（三）不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)及兩個(gè)以上自由度的控制、（四）互換性差，即不同的磁懸浮軸承必須有相對(duì)應(yīng)的控制器、（五）功耗大、體積大等。磁軸承要得到廣泛的應(yīng)用，模擬控制器的在線調(diào)節(jié)性能差不能不說(shuō)是其原因之一，因此，數(shù)字化方向是磁軸承的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)磁軸承系統(tǒng)的智能化，顯然模擬控制器是難以滿足這方面的要求。因此從提高磁軸承性能、可靠性、增強(qiáng)控制器的柔性和減小體積、功耗和今后往網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展等角度，必須實(shí)現(xiàn)控制器數(shù)字化。近三十年來(lái)控制理論得到飛速發(fā)展并取得了廣泛應(yīng)用。磁懸浮軸承控制器的控制規(guī)律研究在近些年也取得了顯著的進(jìn)展，目前國(guó)外涉及到的控制規(guī)律有：常規(guī)PID和PD控制、自適應(yīng)控制、H控制等，國(guó)內(nèi)涉及到的控制規(guī)律主要是常規(guī)PID及PD控制和H控制，但H控制成功應(yīng)用于磁懸浮軸承系統(tǒng)中的相關(guān)信息還未見(jiàn)報(bào)道?！　漠?dāng)前國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況來(lái)看，國(guó)外的研究狀況和產(chǎn)品化方面都領(lǐng)先國(guó)內(nèi)很多年。國(guó)外已有專門的磁懸浮軸承公司和磁懸浮研究中心從事這方面的研發(fā)和應(yīng)用方面工作，如SKF公司、NASA等。其中SKF公司的磁軸承的控制器所用控制規(guī)律為自適應(yīng)控制，其產(chǎn)品適用的范圍：承載力50～2500N、轉(zhuǎn)速1,800～100,000r/min，工作溫度低于220℃。NASA是美國(guó)航天局，他們開(kāi)展磁懸浮研究已有幾十年，主要用于航天上，研究領(lǐng)域包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和磁懸浮軌道推進(jìn)系統(tǒng)（2002年9月已完成在磁懸浮軌道上加2g加速度下可使火箭的初始發(fā)射速度達(dá)到643～965km/h 。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家磁懸浮軸承公司，要趕上國(guó)外磁懸浮軸承發(fā)展水平，必須加大人力、物力等方面的投入。國(guó)內(nèi)對(duì)磁懸浮軸承控制器的控制規(guī)律研究起步較晚，當(dāng)前使用較多的都是常規(guī)PID和PD控制，實(shí)際電路中也有使用PIDD的?？刂凭认鄬?duì)來(lái)說(shuō)不是很高，而且每個(gè)系統(tǒng)都必須對(duì)應(yīng)相應(yīng)的KP，KI，KD，調(diào)節(jié)起來(lái)很麻煩，使用者同樣會(huì)覺(jué)得很不方便。為了使磁懸浮軸承產(chǎn)品化，必須解決上述問(wèn)題，任何人都能很方便的使用，必須把它做成象傻瓜型設(shè)備一樣的產(chǎn)品，這就得首先解決控制器的問(wèn)題。解決此問(wèn)題就是使控制器智能化。智能化的內(nèi)容包括硬件的智能化和軟件的智能化。本文僅討論控制器在控制算法方面的智能化問(wèn)題以及實(shí)現(xiàn)手段，可為最終解決磁懸浮軸承智能化奠定一定的基礎(chǔ)。2 磁軸承系統(tǒng)的組成及工作原理　　磁軸承系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器、控制器和功率放大器五部分組成。磁軸承系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)模型精確地描述是非常困難，一般都采用在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行分析，再進(jìn)行線性化處理。在不考慮五自由度之間耦合的情況下，只需進(jìn)行單自由度的分析

　　工作原理：轉(zhuǎn)子在偏置電流I0的作用下處于平衡位置x0，若某時(shí)刻出現(xiàn)一干擾f0，轉(zhuǎn)子就會(huì)偏離平衡位置，偏移為x，為使軸承回到平衡位置，須加上控制電流ic，使電磁鐵Ⅰ的磁力增加，電磁鐵Ⅱ的磁力減小。此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的力為： 　　其中：μ0為導(dǎo)磁率，S為氣隙截面積，N為線圈匝數(shù)。對(duì)式（1）在（x＝0，ic＝0）處線性化，在不考慮其它力的情況下，由牛頓第二定律得： 其中：位移剛度系數(shù)，電流剛度系數(shù)。對(duì)（2）式進(jìn)行Laplace變換得：　　由（3）式可得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中：Gc（s）、Gp（s）和Gs（s）分別為控制器、功率放大器和傳感器的傳遞函數(shù)。對(duì)于控制器可以選用傳統(tǒng)的PID，也可以選用本文闡述的智能控制器。

3 PID控制器及其智能化方法　　3.1 常規(guī)PID控制器　　為了比較，有必要在此回顧一下傳統(tǒng)的PID控制器?！　”娝苤Ｒ?guī)PID控制是建立在具有精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好、可靠性等優(yōu)點(diǎn)。在當(dāng)代的控制領(lǐng)域，PID控制在控制領(lǐng)域中占有非常大的比重。設(shè)計(jì)它的關(guān)鍵是PID參數(shù)的整定問(wèn)題。但在現(xiàn)實(shí)的控制中，其過(guò)程非常復(fù)雜，在某時(shí)刻具有高度非線性、時(shí)變不確定性、滯后性等。在外界干擾、負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響下，其參數(shù)甚至數(shù)學(xué)模型都會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)，常規(guī)PID顯然不能滿足那些高精度控制的要求。如果能實(shí)時(shí)調(diào)整PID的參數(shù)的話，這樣肯定可以滿足要求。這種PID就是智能PID?！　?.2 智能PID控制器　　隨著近幾十年智能控制理論的快速發(fā)展，以及不斷應(yīng)用到實(shí)踐中，目前應(yīng)用最為活躍的智能控制包括：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制。人們逐漸把智能控制的思想應(yīng)用到常規(guī)PID中，形成多種形式的智能PID控制。它兼具有智能控制和傳統(tǒng)PID兩者優(yōu)點(diǎn)，如：智能控制中的自動(dòng)整定控制參數(shù)能很好地適應(yīng)控制過(guò)程中參數(shù)變化和傳統(tǒng)PID控制的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等，已為人們所熟知。正是基于這兩大優(yōu)點(diǎn)，智能PID控制為許多控制過(guò)程所采用。智能PID控制器又可以分為：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器、模糊PID控制器、專家PID控制器等多種。　　3.3 專家PID控制器　　它是傳統(tǒng)PID算法的基礎(chǔ)上，增加了誤差e和誤差變化率&，查Fuzzy矩陣集、知識(shí)庫(kù)，通過(guò)知識(shí)判斷來(lái)確定是否要調(diào)整及怎樣調(diào)整PID的三個(gè)參數(shù)Kp，Ki，Kd。顯然它是可以根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整PID的三個(gè)參數(shù)，具有很好的控制性和魯棒性。本文就這類控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。

4 硬件設(shè)計(jì)　　考慮到磁懸浮主軸系統(tǒng)的特點(diǎn)，同時(shí)也為了使其優(yōu)點(diǎn)能得到充分的發(fā)揮，數(shù)字控制器采用DSP作為核心部件。綜合考慮TI公司的各款DSP芯片的性能和集成在芯片內(nèi)的模塊，選用TI公司專門用于工業(yè)控制TMS320LF2407A作為核心部件?！　I公司的TMS320LF2407A芯片具有以下特性：（一）可以采用內(nèi)部工作頻率20MHz，也可以外加工作頻率，最大為40MHz，本文晶振采用15MHz，經(jīng)陪頻后作為其工作頻率30MHz。（二）該芯片集成了2個(gè)8選1的10位A/D轉(zhuǎn)換器，共16路。（三）自帶16K Flash ROM和544字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（四）具有12路PWM輸出。（五）集成了Watchdog、PLL時(shí)鐘、EV事件管理器等電路。由于該芯片集成這些在控制中非常有用的電路，這就一方面減小了硬件設(shè)計(jì)難度和體積，另一方面提高了系統(tǒng)的可靠性?！　‰姕u流位移傳感器的輸出范圍一般都比較寬，大概為0～－24V，而TMS320LF2407A芯片中集成的A/D轉(zhuǎn)換器的范圍為0～＋5V（原因：DSP只能處理0～＋5V之間的信號(hào)），因此須加一電平轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換原理：因?yàn)閭鞲衅鞣直媛蕸Q定了磁軸承系統(tǒng)的最小控制精度，所以電平轉(zhuǎn)換電路必須保證分辨率的情況下進(jìn)行，即保證－14.5～－9.5V之間的電壓不變，其余按最大化處理?！　?/span>

5 軟件設(shè)計(jì)　　作為一個(gè)系統(tǒng)，它的軟件包括系統(tǒng)初始化、控制算法和特殊情況（如掉電、溢出等）處理。TMS320LF2407A是基于C2000的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。C語(yǔ)言具有開(kāi)發(fā)周期短、可讀性和可移植性強(qiáng)，但執(zhí)行效率低、故障自診斷能力弱。而匯編語(yǔ)言執(zhí)行效率高，但指令多，編寫(xiě)繁瑣，掌握不易。因此一般情況下，調(diào)用頻繁部分（如：中斷部分和初始化部分）用匯編語(yǔ)言，控制算法采用C語(yǔ)言編寫(xiě)以降低程序的復(fù)雜度并提高它的可修改性?？刂扑惴ú捎脗鹘y(tǒng)PID基礎(chǔ)上的專家PID控制。傳統(tǒng)PID控制采用微分先行的實(shí)際微分PID。

　　本文的系統(tǒng)軟件編寫(xiě)采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言兩種語(yǔ)言混合編寫(xiě)。系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵部分就是控制算法的編寫(xiě)。在編寫(xiě)控制算法前通過(guò)對(duì)具體的磁懸浮主軸系統(tǒng)的模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析并仿真找到它的最優(yōu)控制的PID的Kp，Ki，Kd三個(gè)參數(shù)。并根據(jù)以前的模擬控制和數(shù)字控制的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定e，&與Kp，Ki，Kd所對(duì)應(yīng)的模糊集。具體的軟件編輯框圖如圖6。其中EV為事件管理器，N為具體的磁懸浮主軸系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的最大控制量。

6 結(jié) 論　　通過(guò)傳統(tǒng)PID控制器和智能PID控制器在單自由度中仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，得到智能PID控制器的控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器，主要體現(xiàn)在從起浮到平衡所需時(shí)間短，控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)。